声波测井原理

绪论声波测井声波测井声波声波的分类一般按照频率来分，声波可以分为：超声波（ultra-sonicwave）20KHz声波(sonicwave)20~20KHz次声波（infrasonicwave)20Hz声波测井声波测井是测量和记录井剖面上岩层的声学性质（岩石的声速、声波在岩石中的衰减规律）的一种测井方法。声波测井主要内容声波速度测井声波幅度测井声波全波列测井声波井下电视测井噪声测井1声波速度测井声波速度测井，又叫声波时差测井，它是测量井剖面声波纵波速度Cp的倒数，即声波纵波在1米地层中传播所需的时间，在测井中叫做时差，记作t，t＝1/Cp，单位：微秒/米或微秒/英尺。声波速度测井是声波测井中应用最广泛的声波测井方法，主要利用声波速度测井资料来研究井剖面的岩性，估算储集层孔隙度等。2声波幅度测井声波幅度测井(声幅测井)主要用于检查固井质量。水泥胶结良好时，声波幅度较小；水泥胶结不好时，声波幅度较大。3声波全波列测井声波全波列测井记录滑行纵波、滑行横波等一系列波列的速度、幅度、衰减、频率等与岩层性质和特征有关的信息。数字记录模拟记录用途:判断岩性－估算孔隙度－估算弹性力学参数4声波井下电视和体积扫描测井利用声波反射原理来得到井壁直观图象的测井方法。井内流体(泥浆)对可见光是不透明，因此，在井下不采用通常的光学电视系统，而是采用声波探测成像技术。体积扫描测井不仅可以得到井壁表面的直观图象，还可以探测井壁以外一定径向深度范围内的介质分布情况。5噪声测井噪声测井记录井下自然声场(噪声)分布情况，得到由于岩层应力变化而引起声场分布的变化情况，为地震预报和震情监测提供资料；判断井下出水或出气的层位以及检查水或气在套管外的串漏情况。声波测井主要优点不受泥浆性质影响；不受矿化度影响；不受泥浆侵入影响。第一节岩石的声学特征一、岩石的弹性二、声波在岩石中的传播特征基本概念和相关知识1.弹性力学2.弹性的定义3.弹性体和塑性体4.描述弹性体的参数：•杨氏弹性模量E•泊松比•体积弹性模量K•剪切模量4.部分岩石的弹性模量弹性力学是力学的一个分支学科，它研究弹性体由于受外力作用(或温度变化)等原因而发生的应力、形变和位移，以及形变和位移的传播。1弹性的定义弹性：是指物体在外力作用下将发生变形，即物体受力的效果不是产生宏观运动，而是物体内部各体积元或各部分之间相对位置的变化，在外力不超过一定限度情况下，取消外力则物体将恢复原状，物体的这种性质称为弹性，即物体受有限外力作用而发生形变后恢复原来形态的能力。弹性力学对被研究物体的假定：①物体是连续的②物体是均匀的；③物体是各向同性的；④物体受力后的变形和位移是微小的；⑤物体是完全弹性的。弹性力学所研究的是理想弹性体，而石油的储集体－地下岩石并非理想的弹性体。非均质性：孔隙、裂缝，骨架与胶结物性质各不相同各向异性：节理、层理等但是，由于任何物体在外力很小时，因外力而发生形变都很小的情况下，均可把其当作弹性体进行处理，故可把地下岩石近似看作弹性体。2弹性体的应力和应变2.1物体分类弹性体：当物体受力发生形变，一旦外力取消又能恢复原状的物体，称为弹性体。塑性体：反之，当物体受力发生形变，一旦外力取消而不能恢复原状的物体，称为塑性体。弹性体塑性体可变成在声波测井中，声源的能量很小，声波作用在岩石上的时间很短，因而岩石可以当成弹性体，在岩石中传播的声波可以被认为是弹性波。2.2描述弹性体的参数虎克定律：在弹性限度内，弹性体的弹性形变与外力成正比，即：f＝-E·由于应力与外力数值相等，方向相反，故上式可以改写成为：＝E·(1)杨氏弹性模量EE＝应力/应变＝/应力：作用在单位面积上的力，F/S。应变：弹性体在力方向上的相对形变，△L/L。E物理意义：弹性体发生单位线应变时弹性体产生的应力大小；数值大小表示弹性体或弹性材料在外力作用下发生形变的难易程度，其量纲与应力相同。(2)泊松比弹性体在外力作用下，纵向上产生伸长的同时，横向缩小。假设：有一圆柱形弹性体的直径和长度分别为D和L，在外力作用下，直径和长度的变化分别为D和L，则横向相对缩减D/D和纵向相对伸长L/L之比称为泊松比，用表示。=弹性体的横向应变/纵向应变=（△D/D）/（△L/L）物理意义：描述弹性体形状改变的物理量，无量纲；任何材料，=0～0.5。施加力-D-L(3)体积弹性模量K(也称膨胀率)K=应力/体应变=(F/S)/(△V/V)(N/m2或kg/cm2)体积弹性模量：在外力作用下，物体体积发生相对变化V/V，即，体积应变，则，体积弹性模量为应力与体应变之比。体积弹性模量的倒数叫体积压缩系数，用表示，即：=1/K(4)剪切模量(也称切变模量)（kg/cm2）如右下图所示的矩形六面弹性体，其上表面的面积为A，受到平行于该表面的剪切力Ft的作用时，在力的方向上相对位移一段距离L，剪切应力等于Ft/A，剪切应变等于L/L，则切应力与切应变之比就叫剪切模量或切变模量，用表示。岩石名称E(×1011N/m2)(×1011N/m2)页岩0.17～0.45砂岩0.003～0.7150.2～0.35泥灰岩0.15～0.450.3～0.4石灰岩0.25～0.8010.22～0.350.231～0.265硬石膏0.72～0.740.2950.281玄武岩1.150.230.156～0.237花岗岩0.3～0.570.198～0.30部分岩石的弹性模量二、声波在岩石中的传播特性1.纵波、横波的定义2.波的传播特征3.产生滑行波的条件4.反射、折射系数（R、T）5.波阻抗、声耦合率6.声速影响因素7.不同介质的声波速度二、声波在岩石中的传播特性1.纵波、横波的定义纵波：介质质点的振动方向与波的传播发向一致。弹性体的小体积元体积改变，而边角关系不变。横波：介质质点的振动方向与波传播方向垂直的波。特点：弹性体的小体积元的体积不变，而边角关系发生变化，例如,切变波。注意：(1)横波不能在流体（气、液体）中传播，因为它的切变模量=0(2)在井下，纵波和横波都能在地层中传播，而泥浆中只能传播纵波。三、声波在介质界面上的传播2.波的传播介质1介质2入射波入射角反射角折射角反射波折射波3.产生滑行波的条件VP2VP1时,折射角=90°折射定律:VPVPinin211SS第一临界角:1*=arcsin(VP1/VP2)第二临界角:2*=arcsin(VP1/VS2)同理可得出:当折射产生横波时有212VSVPSinSin4.反射、折射系数（R、T）反射系数R：R=WR/W=反射波的能量/入射波的能量=(2•V2-1•V1)/(2•V2+1•V1)折射系数T：T=WT/W=折射波的能量/入射波的能量=21•V1/(2•V2+1•V1)入射角=0°，T+R=15.波阻抗、声耦合率(1)波阻抗ZZ=波的传播速度×介质的密度=V•(2)声耦合率两种介质的声阻抗之比：Z1/Z2Z1/Z2越大或越小，声耦合越差，R大，T小，声波不易从介质1到介质2中去。Z1/Z2越接近1，声耦合越好，R小，T大，声波易从介质1到介质2中去。介质(Z2)声速(m/s)密度(kg/m3)波阻抗(kg/m2S)反射系数钢管5400780024.12×1060.9312砂岩330026508.745×1060.7071石灰岩6500287018.65×1060.8511白云岩7000287020.09×1060.8610泥岩180024504.41×1060.4923硬煤370014005.18×1060.5508水和各种介质界面上的声压反射系数6.声速影响因素弹性模量；密度；岩性；孔隙度；岩层地质时代；岩层埋藏深度等。7.不同介质的声波速度介质声速(m/s)时差(s/m)介质声速(m/s)时差(s/m)空气3303000渗透性砂岩5943168甲烷4422260致密砂岩5500182石油1070～1320985～757致密石灰岩6400～7000156～143水1530～1620655～620白云岩7900125泥岩1830～3962548～252岩盐4600～5200217～193泥质砂岩5638177硬石膏6100～6250164～160第2节声波速度测井声波速度测井是测量井下岩石地层的声波传播速度（或时差），以判断井剖面地层的岩性，估算储集层孔隙度的测井方法。声波速度测井是岩性－孔隙度测井系列中的主要测井方法之一。声波速度测井所记录的地层声速一般是指地层纵波的速度（或时差）。一声波在井壁上的折射与滑行波井下声波发射探头发射出的声波，一部分在井壁（井内泥浆与井壁岩层分界面）上发生反射；一部分在井壁上发生折射，进入井壁地层。由于井壁地层是固相介质，因而，折射进入地层的声波可能转换成为折射纵波和折射横波。1折射波与临界角2产生滑行波的条件VP2VP1时,折射角=90°时产生滑行纵波折射定律:VPVPinin211SS第一临界角:1*=arcsin(VP1/VP2)第二临界角:2*=arcsin(VP1/VS2)同理可得出:当折射产生横波时有212VSVPSinSin介质名称VP(m/s)VS(m/s)第一临界角第二临界角泥岩180095062º44´不产生滑行横波砂层（疏松）2630151837º28´不产生滑行横波砂岩（疏松）3850230024º33´44º05´砂岩（致密）5500320016º55´30º石灰岩（骨架）7000370013º13´25º37´白云岩（骨架）7900440011º41´21º19´钢管5400310017º41´31º04´常见介质的纵横波速度及第一第二临界角二、声波速度测井单发双收的测量原理1声系T：发射探头－电能转化为声能。R：接收探头－声能转化为电能；声波在介质中的传播主要指声速、声幅和频率特性2岩石的声速特性及影响因素(1)VP、VS与、、E间的关系)21)(1()1(EVP)1(2EVS当=0.25，VP/VS=1.73,EVP(S)(2)传播速度与岩性的关系岩性不同弹性模量不同VP、VS的影响不同VP、VS不同(3)孔隙度的影响流体的弹性模量和密度都不同于岩石骨架，相对讲，即使岩性相同，其中的流体也不同。孔隙度增大，传播速度就降低。(4)岩层的地质时代影响实际资料表明：厚度、岩性相同，岩层越老，则传播速度越快。(5)岩层的埋藏深度影响岩性和地质时代相同：埋深增加导致传播速度增加。结论：可用传播速度来研究岩层的岩性和孔隙度。3岩层的声幅特性平面波的衰减仅由介质的吸收引起的，声波的能量与其幅度的平方成反比，声幅的大小反映了声波能量的高低。J=J0e-2LJ：声波经过L距离后的声强J0：初始声强：介质的吸收系数下降V下降增加频率增加增加2单发双收的测量原理(1)产生滑行波的条件(V地V泥浆)产生滑行波的过程是可逆的(2)到达接收探头的波类折射纵波反射波泥浆波(直达波)(3)滑行纵波首先到达接收探头因反射波、泥浆波都只在泥浆中传播，V地大于V泥，如果合理选择源距可以使纵波首先到达接收探头，而成其为首波。(4)时差的表达式时差：在介质中声波传播单位距离所用的时间)121()121(12vCEvBCvABvDFvBDvABttt如果井径规则，则AB=DF=CE，上式为：22vCDvBCBDt显然，CD正好是仪器的间距(常数)，时差与声速成反比。时差的单位：s/m。时差s/m(5)输出的测井曲线(一条声波时差曲线)影响时差的因素1井径的影响①R1(处在D增加)，R2(位于正常或缩小)井段时，滑行波到达R1的时间增加，而到达R2的时间不变，因此时差下降。②R1位于正常(或缩小井段)，R2位于井径扩大，滑行波到达R1的时间不变，而到达R2的时间增加，因此时差增加。③当R1和R2都处于井径扩大或缩小井段时，t1、t2同时增加或下降，或不变。2岩层厚度的